KR20140022827A

KR20140022827A - 포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법 및 이 형성 방법에 의한 페이스부를 가지는 포펫 밸브

Info

Publication number: KR20140022827A
Application number: KR20137026398A
Authority: KR
Inventors: 마이쿠 미카미; 카즈노리 쿠라하시
Original assignee: 니탄 밸브 가부시키가이샤
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2014-02-25
Also published as: US9371915B2; US20140191150A1; CN104185721A; US20150300506A1; EP2740908B1; EP2740908A1; JPWO2013186893A1; EP2740908A4; CN104185721B; KR101426786B1; US9163734B2; PL2740908T3; WO2013186893A1; JP5420116B1

Abstract

기체·페이스부 모두에 결정립의 조대화를 초래하지 않고 페이스 표면으로부터 소정의 깊이 이상까지 압축 잔류 응력을 유지하면서, 가공 경화를 얻음과 아울러, 용접 결함도 해소할 수 있는 포펫 밸브 및 그 페이스부의 형성 방법을 제공한다.
포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법은 축부(1b)와 그 일단의 우산형상부(2a)로 이루어지는 포펫 밸브 기체(2)에 대해서, 상기 우산형상부(2a)에 용접에 의한 육성부(4)를 주회 형상으로 형성하는 공정과, 이 육성부(4)에 소정의 개방각의 페이스면(6)을 형성하는 공정으로 이루어지고, 상기 육성부(4)에는 표면의 제거 가공에 의해 평활면(5)을 형성하고, 이 평활면(5)에 대한 소성 가공에 의해 상기 페이스면(6)을 형성함과 아울러, 이 가공은 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 포펫 밸브의 페이스부(2b)에 균등 면압을 부여함으로써, 상기 과제를 해결하여 페이스부의 내구성을 향상시킬 수 있는 것이다.

Description

포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법 및 이 형성 방법에 의한 페이스부를 가지는 포펫 밸브{A POPPET VALVE WITH A FORMED FACE, AND METHOD OF MAKING}

본 발명은 포펫 밸브의 기체(基體)의 우산형상부(傘部)에 육성(肉盛) 용접함으로써 형성되는 포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법 및 이 형성 방법에 의한 페이스부를 가지는 포펫 밸브에 관한 것이다.

포펫 밸브의 페이스부는 실린더 헤드측의 밸브 시트로부터의 충격을 반복하여 받는 점에서, 그 내구성을 강화하는 기술로서, 포펫 밸브의 기체에 대해서 그 우산형상부에 내마모성 합금 등을 육성 용접하여 페이스부를 형성하는 기술이 특허문헌 1의 예를 비롯하여, 포펫 밸브의 제조시에 폭넓게 사용되고 있다.

일본 공개특허공보 2011-101897호

그러나, 상기 페이스부는 용접된 육성재에 의해 강화되는 한편, 육성 용접시의 열응력이나 육성재(肉盛材)와 기재(基材)의 열팽창 차이 등에 의해, 페이스부의 내부에 인장응력이 잔류하는 것이 알려져 있고, 공정 내에서의 마무리 가공시나 엔진 작동시 등 페이스부에 인장응력이 부하된 경우, 이 인장 잔류 응력과의 합력에 의해 페이스 크랙이 일어나는 경우가 있다. 특히 엔진 작동하에서는 밸브의 연속된 개폐에 의한 반복 하중이 발생한다. 또한, 실린더 내에서는 흡기·압축·연소·배기의 행정이 반복되기 때문에 서멀 사이클에 의한 열응력이 발생한다. 이러한 환경하에서의 사용은 페이스 크랙에 대한 내성의 저하를 초래하게 되고, 그 결과, 육성재에 걸맞는 내구성을 확보할 수 없게 된다는 문제가 있었다.

본 발명은 기체·페이스부 모두에 결정립의 조대화를 초래하지 않고 페이스 표면으로부터 소정의 깊이 이상까지 압축 잔류 응력을 유지하면서, 가공 경화를 얻을 수 있고, 또한 용접 결함도 해소할 수 있는 페이스부를 구비하는 포펫 밸브 및 그 페이스부의 형성 방법을 제공하는 것이다.

청구항 1에 따른 발명은, 축부와 그 일단의 우산형상부로 이루어지는 포펫 밸브 기체에 대해서, 상기 우산형상부에 용접에 의한 주회(周回) 형상의 육성부를 형성하는 공정과, 그 육성부에 소정의 개방각의 페이스면을 형성하는 공정으로 이루어지는 포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법에 있어서, 상기 육성부에는 표면의 제거 가공에 의해 평활면을 형성하고, 이 평활면에 대한 소성 가공에 의해 상기 페이스면을 형성함과 아울러, 이 소성 가공은 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간(溫間)의 범위에서 균등 면압을 부여하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 따른 발명은, 청구항 1에 따른 발명에 있어서, 상기 육성부로부터 그 내주측에 이르는 영역을 상기 평활면과 마찬가지로 하여 제2 평활면을 형성하고, 이 제2 평활면에 대해서 상기 페이스면과 마찬가지로 하여 상기 페이스면과 일체로 페이스 내측 확대면(內擴面)을 형성함과 아울러, 이 페이스 내측 확대면의 개방각을 상기 페이스면의 개방각보다 큰 각도로 형성하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 따른 발명은, 축부와 그 일단의 우산형상부로 이루어지는 포펫 밸브 기체에 대해서, 상기 우산형상부에 용접에 의한 주회 형상의 육성부를 설치하고, 이 육성부에 소정의 개방각의 페이스면을 구비한 페이스부를 가지는 포펫 밸브에 있어서, 상기 육성부에는 표면의 제거 가공에 의해 평활면을 설치하고, 이 평활면에 대한 소성 가공에 의해 상기 페이스면을 형성함과 아울러, 이 소성 가공은 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 포펫 밸브의 페이스부에 균등 면압을 부여하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 따른 발명은, 청구항 3에 따른 발명에 있어서, 상기 육성부로부터 그 내주측에 이르는 영역에 상기 평활면과 마찬가지로 하여 제2 평활면을 형성하고, 이 제2 평활면에 대해서 상기 페이스면과 마찬가지로 하여 상기 페이스면과 일체의 페이스 내측 확대면을 형성함과 아울러, 이 페이스 내측 확대면의 개방각을 상기 페이스면의 개방각보다 큰 각도로 형성한 것을 특징으로 한다.

청구항 1에 따른 발명에 의해, 포펫 밸브 기체에 대해서, 그 우산형상부에 용접에 의한 육성부를 주회 형상으로 형성하고, 그 표면을 절삭하여 평활면을 형성하고, 이 평활면을 소성 가공하여 소정의 개방각의 페이스면을 형성한다. 이 가공에서는 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 포펫 밸브의 페이스부에 균등 면압을 부여하고 형성하는 점에서, 기체·페이스부 모두에 결정립의 조대화를 초래하지 않고 페이스 표면으로부터 소정 깊이까지 압축 잔류 응력을 유지하면서, 가공 경화를 얻을 수 있다. 또한, 용접 결함도 해소할 수 있다. 따라서, 육성재의 특성을 손상시키는 일도 없다. 또한, 이 압축 응력은 마무리 공정의 페이스면의 제거 가공이나 엔진 작동에 페이스부에서 발생하는 인장응력에 대하여 항력이 되기 때문에, 엔진 가동하에 있어서의 반복 응력에 의한 피로 파괴나 히트 쇼크에 의한 페이스 크랙에 대한 내성을 향상시킬 수 있고, 페이스부의 가공 경화에 의해 내마모성도 향상시킬 수 있다.

청구항 2에 따른 발명에 의해, 청구항 1에 따른 발명의 효과에 더해, 페이스면의 형성과 아울러, 그 내주측의 영역을 제2 평활면으로 하여 페이스 내측 확대면을 일체로 형성하는 점에서, 페이스면에 작용하는 면압을 저감하여 페이스부의 크랙 발생이 억제되므로, 페이스면의 개방각이 작고, 과대한 면압이 소성 가공시에 평활면에 작용하는 경우, 예를 들면, 페이스면의 개방각이 90° 등의 예각 경향의 페이스면을 가지는 포펫 밸브에 대해서, 소성 가공에 의한 페이스 크랙 발생을 억제한 페이스부를 형성할 수 있다.

청구항 3에 따른 발명에 의해, 포펫 밸브 기체에 대해서, 그 우산형상부에 용접에 의한 육성부를 주회 형상으로 형성하고, 그 표면을 절삭하여 평활면을 형성하고, 이 평활면을 균등 면압으로 소성 가공하여 소정의 개방각의 페이스면을 형성한다. 이 가공은 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 포펫 밸브의 페이스부에 균등 면압을 부여하고 형성하는 점에서, 기체·페이스부 모두에 결정립의 조대화를 초래하지 않고 페이스 표면으로부터 소정 깊이까지 압축 잔류 응력을 유지하면서, 가공 경화를 얻을 수 있다. 또한, 용접 결함도 해소할 수 있다. 따라서, 육성재의 특성을 손상시키는 일도 없다. 또한, 이 압축 응력은 마무리 공정의 페이스면의 제거 가공이나 엔진 작동에 페이스부에서 발생하는 인장응력에 대하여 항력이 되기 때문에, 엔진 가동하에 있어서의 반복 응력에 의한 피로 파괴나 히트 쇼크에 의한 페이스 크랙에 대한 내성을 향상시킬 수 있고, 페이스부의 가공 경화에 의해 내마모성도 향상시킬 수 있다.

청구항 4에 따른 발명에 의해, 청구항 3에 따른 발명의 효과에 더해, 페이스면의 형성과 아울러, 그 내주측의 영역을 제2 평활면으로 하고, 개방각을 페이스면보다 크게 하여 페이스 내측 확대면을 마찬가지로 형성한 점에서, 단조 가공시의 페이스면에 작용하는 면압이 저감되므로, 개방각이 작고, 페이스면에 과대한 단조면압이 작용하는 경우, 예를 들면, 페이스면의 개방각이 90° 등의 예각 경향의 페이스면을 가지는 포펫 밸브에 대해서, 소성 가공에 의한 페이스 크랙 발생을 억제한 페이스부를 형성할 수 있다.

도 1은 포펫 밸브의 제조 공정도.
도 2는 2차 단조시의 주요부 확대 단면도(제1예).
도 3은 2차 단조시의 주요부 확대 단면도(제2예).
도 4는 잔류 응력 분포 비교 그래프(둘레 방향과 방사 방향).
도 5는 열충격 시험 성적 비교도.
도 6은 페이스 경도 비교 그래프.

상기 기술 사상에 기초하여 구체적으로 구성된 실시형태에 대해서 이하에 도면을 참조하면서 설명한다.

포펫 밸브는 축부와 일체의 대직경의 우산형상부로 이루어지는 밸브 기체를 소성가공에 의해 형성하고, 이 밸브 기체의 우산형상부에 육성 용접 가공에 의해 페이스부를 형성한 다음 마무리 가공에 의해 제조된다.

본 발명의 포펫 밸브는 완성에 이르는 각 가공 공정 중에서도, 특히 페이스부에 대해서 우산형상부에 내마모성 합금을 육성 용접하고, 소정의 소성 가공을 행하는 것을 발명의 요지로 한다. 즉, 우산형상부에 육성용 홈을 형성하여 내마모성 합금을 육성 용접하고, 그 육성부에 절삭 제거 가공에 의해 평활면을 형성한 다음, 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 포펫 밸브의 페이스부에 균등 면압을 부여하여, 페이스면을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 포펫 밸브에 대해서, 그 제조 공정을 구체적으로 설명하면, 도 1의 제조 공정도에 나타내는 바와 같이, (1) 스웨이징 공정과 (2) 우산형상부의 단조 공정으로 이루어지는 밸브 기체(2)의 가공 공정군, (3) 우산형상부의 홈 형성 공정으로부터 (4) 육성 용접 공정, (5) 단조 전 절삭 공정, (6) 2차 단조 공정까지의 페이스부(2b)에 대한 가공 공정군, (7) 완성 공정에 있어서의 포펫 밸브의 마무리까지의 다단계의 공정에 이른다.

제1 공정인 (1) 스웨이징 가공은 봉형상 재료를 소정 길이로 절단하고, 그 일단을 R 모따기하고, 타단을 C 모따기하고, 이 봉형상 재료를 전극간의 전위차에 의한 저항 가열에 의해 전극간에 대해서 연화시키고, 그 상태에서 축 방향으로 가압함으로써, 상기 일단의 R 모따기측을 직경 확대 변형시켜 헤드부(1a)를 형성함과 아울러 예열을 부여한다.

제2 공정인 (2) 단조 가공은 1차 단조로서 온간 단조에 의해 밸브 기체(2)를 형성한다. 이 밸브 기체(2)는 상기 헤드부(1a)를 형 단조에 의해 소정의 우산 형상으로 형성한 우산형상부(2a)를 구비하고, 이 우산형상부(2a)에는 그 외주부에 소정의 경사면의 페이스부(2b)가 형성된다.

제3 공정인 (3) 페이스부 홈 형성 가공은 상기 페이스부(2b)에 다음의 육성 용접시의 용접재가 녹아 떨어지는 것을 방지하기 위한 홈(3)을 절삭 등에 의해 주회 형성한다.

제4 공정인 (4) 육성 용접 가공은 우산형상부(2a)의 예열 후에 페이스부(2b)의 홈(3)을 따라 코발트계 그 밖의 내마모성 합금을 육성 용접에 의해 육성부(4)를 형성한다. 이 때, 우산형상부(2a)의 냉각에 의해, 용접시의 입열에 의한 열응력의 발생을 경감하고, 용접 경계가 깨지는 것을 방지한다.

제5 공정인 (5) 단조 전 가공은 도 2에 2차 단조시의 주요부 확대 단면도(제1예)를 나타내는 바와 같이, 단조시의 면압을 균등화하기 위해서, 육성부(4)의 표면을 절삭 제거 가공에 의해 평활면(5)을 형성함과 아울러, 외주부의 마모 방지를 위해서 우산형상부(2a)의 외주부를 소정의 외경 치수로 절삭한다.

상기 평활면(5)을 형성한 육성부(4)의 용접재는 단단하며 인성이 낮은 코발트기 합금 등이 많이 사용되는 점에서, 이 후에 이어지는 비교적 저온의 단조에 의해 변형량이나 응력 집중이 커지면 육성부(4)에 크랙이 발생할 가능성이 있고, 또한, 육성 용접 후의 요철 형상의 육성부(4)의 표면을 그대로 단조하면 압축 잔류 응력과 가공 경화가 불균일하게 될 가능성이 있는 점에서, 다음의 2차 단조시의 면압을 균일하게 하기 위해서, 육성부(4)에 대해서 제거 가공에 의해 금형과 대응하는 평활면(5)을 형성한다.

제6 공정인 (6) 2차 단조 가공은 우산형상부(2a)의 예열 후에 육성부(4)의 평활면(5)을 단조 가공함으로써 페이스면(6)을 형성한다. 이 가공에서는 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 평활면(5)에 균등 면압을 부여하고 형성한다.

상기 2차 단조 가공에 대해서는, 육성부(4)의 내주를 따른 용접 경계부로부터의 크랙의 발생을 방지하기 위해서, 동 용접 경계부에 도달할 때까지 면압을 가하고, 또한, 우산형상부(2a)의 외경부에 재료의 여유부를 설치하여 페이스면(6)의 크랙의 발생을 방지하기 때문에, 가공부를 한정하여 우산형상부(2a)의 외경부를 미구속으로 하는 단조 가공을 행한다. 또한, 페이스면(6)의 법선 방향의 프레스 자리를 규정하기 위해서, 1차 단조와 상이한 형상의 금형을 사용한다.

제7 공정인 (7) 완성 가공은 필요한 열처리를 포함하고, 프레스한 페이스면(6)을 절삭함으로써, 실린더 헤드측의 밸브 시트와 밀접 가능한 마무리면(7)을 페이스부(2b)에 형성하여 포펫 밸브를 완성시킨다.

(내부 응력)

상기 공정에 의해 형성되는 포펫 밸브의 페이스부(2b)는 축부(1b)와 그 일단의 우산형상부(2a)로 이루어지는 포펫 밸브 기체(2)에 대해서, 우산형상부(2a)의 외주부에 형성한 경사면에 의한 페이스부(2b)에 홈(3)을 절삭 형성하고, 이 홈(3)을 따라 용접에 의한 육성부(4)를 주회 형상으로 형성하고, 이 육성부(4)의 표면을 절삭 제거 가공에 의해 평활면(5)을 형성함으로써 육성부(4)의 균등 면압 부하에 의한 2차 단조가 가능하게 된다.

이 균등 면압의 2차 단조 공정에 의해 페이스면(6)을 형성함으로써, 페이스면(6)에 균일한 소성 뒤틀림을 부여하여 균일한 압축 잔류 응력을 발생시킬 수 있다. 이 압축 잔류 응력을 페이스부에 부여함으로써, 포펫 밸브 사용시에 페이스부(2b)에 가해지는 인장응력을 상쇄하고, 피로 강도나 내 크랙성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위로 온도 조건을 한정하여 균등 면압의 2차 단조를 행함으로써, 기재(2) 및 페이스부(5)의 금속 결정립의 조대화를 초래하지 않고, 페이스면(6)의 전체에 표면으로부터 소정 깊이까지의 범위에서 압축 응력 상태가 유지된다.

그 결과, 마무리 공정에 있어서의 페이스면(6)의 절삭이나 엔진 작동에 의한 마무리면(7)에 발생하는 인장응력에 대하여 페이스부(2b)에 부여된 압축 응력이 항력이 되기 때문에, 엔진 가동하에 있어서의 반복 응력에 의한 피로 파괴나 히트 쇼크에 의한 페이스 크랙에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.

(재료 강도)

또한, 일반적인 금속 조직의 전위(轉位)는 입계보다 입자 내에서 일어나기 쉽고, 입계의 증대에 의해 전위가 일어나기 어렵게 되는 점에서, 결정립이 커지면 입계가 감소하여 전위가 일어나기 쉽고, 그 결과 강도가 저하된다. 이와 같이, 재료 강도는 전위의 일어나기 쉬움에 좌우되고, 전위가 일어나기 쉬울수록 강도가 낮아진다.

상기 2차 단조에 있어서는, A1 변태점 이하인 온간 영역 또는 냉간 영역의 온도의 단조로 함으로써, 결정립의 조대화에 의한 강도 저하를 피할 수 있다. 특히, 밸브 기재가 오스테나이트재인 경우는, 밸브 제조상에서도 결정립의 미세화를 위한 후공정의 열처리가 곤란하며, 또한, A1 변태점 이상의 단조의 경우는 결정립의 조대화를 초래하고, 시효 처리에 의해서도 본래의 강도를 얻을 수 없는 점에서, 재결정 온도 이하의 범위에서 단조 가공을 행함으로써, 결정립의 조대화를 막아 재료 강도 저하를 방지할 수 있고, 온간 단조와 비교하여 페이스부가 가공 경화되기 쉽고, 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상기한 경우에 있어서의 구체적인 단조 온도의 설정은 용접 육성재, 기재의 쌍방의 A1 변태점 중 낮은 쪽의 값에 따른다. 일반적으로는 육성재로서 기재보다 고온 강도가 우수한 재료를 사용하는 것이 대부분이며, 많은 경우 기재의 A1 변태점 쪽이 낮은 값이 된다. 그 때문에, 일부의 예를 제외하고, 2차 단조 온도 조건은 기재의 A1 변태점 미만으로 설정한다.

예를 들면, 기재로 고 니켈 합금(NCF80A), 육성재로 코발트계 내마모성 합금(상표명 스텔라이트 #712)을 사용한 밸브의 경우, 재결정 온도는 NCF80A 쪽이 낮으므로, 기재측을 기준으로 하여 2차 단조 온도를 결정한다. NCF80A의 재결정 온도는 1000℃~1100℃이므로, 2차 단조 온도를 1000℃ 미만으로 하면, A1 변태점 이하에 의한 온간 단조를 실시할 수 있다.

(검증 결과)

상기 공정에 의해 제조한 포펫 밸브의 검증에 의해, 페이스부의 잔류 응력, 크랙, 표면의 경도에 대해서 이하의 결과를 얻었다.

응력 분포의 검증예로서, 우산형상 직경 φ70mm, 페이스각 120도, 2차 단조 온도 T=850±50℃에서 형성한 포펫 밸브(기재로 상기 고 니켈 합금, 육성재로 상기 코발트계 내마모성 합금)에 대해서, X선 잔류 응력 측정법(관전압 40kV, 관전류 30mA, 특성 X선 Cr·K α선, 콜리메이터 φ2.0mm, 측정 모드 병경법(竝傾法))에 의해, 우산형상부의 180도 각도차의 2점에 있어서 깊이 위치 0, 20, 50μm의 둘레 방향과 방사 방향의 잔류 응력에 대해서 측정을 행하고, 다음의 결과를 얻었다.

2차 단조의 유무에 의한 페이스부의 잔류 응력의 대비 결과는 도 4의 잔류 응력 분포 비교 그래프(둘레 방향과 방사 방향)에 나타내는 바와 같이, 표면에서는 양자 동등의 압축 응력, 깊이 20, 50μm에서는 2차 단조 없는 것이 인장응력에 대하여 2차 단조 있는 것이 압축 응력이라는 결과가 얻어졌다. 이 측정 결과로부터 일방의 2차 단조 없는 것에서는 표면과 얕은 부분을 제외한 범위의 인장응력이 추정되고, 타방의 2차 단조 있는 것에서는 표면으로부터 깊은 부분까지의 전 범위의 압축 응력이 추정된다.

또한, 페이스부의 내히트 쇼크성에 대해서는, 우산형상 직경 φ70mm, 페이스각 120도, 2차 단조 온도 T=850±50℃에서 형성한 포펫 밸브(기재로 상기 고 니켈 합금, 육성재로 상기 코발트계 내마모성 합금)에 대해서, 2차 단조의 유무를 대비하여 열충격 시험을 실시하고 검증했다. 이 시험은 시험 온도에서 유지한 시험체(각 조건 3개)를 20±5℃의 냉수로 급냉하고, 그 표면을 침투 탐상 시험으로 페이스 손상의 유무를 검증하는 시험법이다. 결과는 다음과 같다.

2차 단조의 유무에 의한 페이스부의 내히트 쇼크성의 대비 결과는, 도 5의 열충격 시험 성적 비교도에 나타내는 바와 같이, 페이스 크랙 발생 온도가 2차 단조 없는 것에서 650~700℃에 대하여, 2차 단조 있는 것에서는 800~850℃라는 결과가 얻어지고, 내히트 쇼크성 향상에 유효한 것이 인정되었다.

또한, 페이스부의 내부 결함에 대해서는, 우산형상 직경 φ110mm, 페이스각 100도, 2차 단조 온도 T=850±50℃에서 형성한 포펫 밸브(기재로 상기 고 니켈 합금, 육성재로 상기 코발트계 내마모성 합금)에 대해서, 기재측에 크랙이 발생하는 조건 설정에 의한 육성 용접을 행하고, 2차 단조의 유무를 대비하여 금속 조직의 현미경 관찰을 행한 결과, 일방의 2차 단조 없는 것에서는 기재측에 명확한 크랙이 관찰되고, 타방의 2차 단조 있는 것에서는 페이스부의 기재측과 육성재의 범위에 대해서, 핀홀이나 크랙이 일체 관찰되지 않았다. 이 점에서, 기재측에 발생한 크랙이 2차 단조에 의해 압착 수복되는 것이 추정된다.

또한, 가공 경화에 대해서는, 우산형상 직경 φ110mm, 페이스각 100도, 2차 단조 온도 T=850±50℃에서 형성한 포펫 밸브(기재로 상기 고 니켈 합금, 육성재로 상기 코발트계 내마모성 합금)에 대해서, 2차 단조의 전후에 있어서의 육성부의 완성 표면 상당 위치의 경도를 페이스면의 폭 중앙부와 그 내외측부의 3점에서 측정한 결과, 도 6의 페이스 경도 비교 그래프에 나타내는 바와 같이, 2차 단조 전보다 후에 있어서의 측정값이 35~70HV의 상승이 되어, 명확한 가공 경화가 확인되었다.

상기 2차 단조의 효과 검증에 대해서 정리하면 이하와 같다.

1) 압축 잔류 응력에 대해서

깊이가 0μm, 20μm, 50μm의 측정 위치에 대해서 2차 단조 없는 것에서는 20μm, 50μm 위치에서 인장응력이, 2차 단조 있는 것에서는 전체 깊이 범위에 있어서 둘레 방향, 방사 방향과 상관없이 잔류 압축 응력이 확인되었다.

2) 내히트 크랙성의 향상에 대해서

열충격 시험으로부터 2차 단조에 의한 내페이스 크랙성의 개선 및 열응력에 대한 강도 향상이 인정되었다.

3) 내부 결함(핀홀·크랙 등)의 압착에 대해서

육성 용접에 의해 기재측 내부 조직에 크랙이 발생한 포펫 밸브에 대해서, 2차 단조에 의한 결함 수복 효과가 금속 조직의 현미경 해석에 의해 확인되었다. 시험 대상은 포펫 밸브(우산형상 직경 약110mm, 페이스각 100°, 고 니켈 합금(NCF80A)의 기재에 육성 용접(상표명 스텔라이트 #712)에 따른다.

4) 가공 경화에 대해서

육성부 완성 표면 부근의 경도는 페이스부의 내경측, 중앙, 외경측의 측정 위치에 있어서, 2차 단조 전후에 있어서 상승(35~70HV)이 있어, 가공 경화를 확인할 수 있었다.

이와 같이, 포펫 밸브의 페이스부에 대해서 실시한 상기 2차 단조에 따른 공정은 효과 검증의 결과로부터도 확인된 바와 같이, 용접 결함의 해소와 함께, 압축 방향의 잔류 응력과 가공 경화에 유효한 점에서, 페이스부의 육성재의 특성을 살려 내깨짐성, 내마모성의 향상에 의한 우수한 내구성을 확보할 수 있는 것이다.

(다른 구성예)

다음에, 도 3에 2차 단조시의 주요부 확대 단면도(제2예)를 나타내는 바와 같이, 포펫 밸브의 페이스면(6)의 개방각이 작은 경우의 2차 단조 가공에 대해서 설명한다. 상기 서술한 일련의 공정에 있어서, 제5 공정인 (5) 단조 전 가공에 있어서는, 육성부(4)의 평활면(5)에 더해, 또한 그 내주측의 우산형상부(2a)의 기재에 이르는 용접 경계부의 범위를 절삭 제거 가공에 의해 제2 평활면(5a)으로서 형성하고, 이 제2 평활면(5a)에 대해서 육성부(4)의 페이스면(6)과 마찬가지로 하여, 또한 이 페이스면(6)과 일체로 그 내주측으로 확대되는 페이스 내측 확대면(6a)을 2차 단조에 의해 형성한다. 이 페이스 내측 확대면(6a)은 페이스면(6)의 개방각(α)보다 큰 개방각(β)으로 형성한다. 개방각(α)은 포펫 밸브의 완성 페이스 각도에 맞추기 위해서, 일반적인 포펫 밸브의 경우 30°≤α<180°의 범위에서 설정하고, 개방각(β)은 α<β≤180°의 범위에서 설정한다.

상기 공정에 의해, 육성부(4)의 페이스면(6)의 형성과 아울러, 그 내주측의 영역에 개방각이 상이한 페이스 내측 확대면(6a)을 일체로 형성함으로써, 페이스면(6)에 작용하는 면압을 저감하여 페이스부(2b)의 크랙 발생이 억제된다.

예를 들면, 우산형상 직경 φ100, 페이스면(6)의 개방각이 90°의 예각 경향의 페이스면을 가지는 포펫 밸브의 2차 단조 공정의 경우, 금형의 개방각(α)을 90°로, 개방각(β)을 140°로 설정한다. 이러한 금형을 사용함으로써 안정적인 2차 단조 가공이 가능하게 되는 점에서, 페이스 표면으로부터 소정 깊이까지 압축 잔류 응력을 유지하면서, 가공 경화가 얻어진 포펫 밸브의 페이스부(2b)를 형성할 수 있으므로, 엔진 가동하에 있어서의 반복 응력에 의한 피로 파괴나 히트 쇼크에 의한 페이스 크랙에 대한 내성을 향상시킬 수 있고, 페이스부의 가공 경화에 의해 내마모성도 향상시킬 수 있다.

1a…헤드부
1b…축부
2…포펫 밸브 기체
2a…우산형상부
2b…페이스부
3…홈
4…육성부
5…평활면
5a…제2 평활면
6…페이스면
6a…페이스 내측 확대면
7…마무리면

Claims

축부와 그 일단의 우산형상부로 이루어지는 포펫 밸브 기체에 대해서, 상기 우산형상부에 용접에 의한 주회 형상의 육성부를 형성하는 공정과, 그 육성부에 소정의 개방각의 페이스면을 형성하는 공정으로 이루어지는 포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법에 있어서,
상기 육성부에는 표면의 제거 가공에 의해 평활면을 형성하고, 이 평활면에 대한 소성 가공에 의해 상기 페이스면을 형성함과 아울러, 이 소성 가공은 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 균등 면압을 부여하는 것을 특징으로 하는 포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 육성부로부터 그 내주측에 이르는 영역을 상기 평활면과 마찬가지로 하여 제2 평활면을 형성하고, 이 제2 평활면에 대해서 상기 페이스면과 마찬가지로 하여 상기 페이스면과 일체로 페이스 내측 확대면을 형성함과 아울러, 이 페이스 내측 확대면의 개방각을 상기 페이스면의 개방각보다 큰 각도로 형성하는 것을 특징으로 하는 포펫 밸브의 페이스부의 형성 방법.
축부와 그 일단의 우산형상부로 이루어지는 포펫 밸브 기체에 대해서, 상기 우산형상부에 용접에 의한 주회 형상의 육성부를 설치하고, 이 육성부에 소정의 개방각의 페이스면을 구비한 페이스부를 가지는 포펫 밸브에 있어서,
상기 육성부에는 표면의 제거 가공에 의해 평활면을 설치하고, 이 평활면에 대한 소성 가공에 의해 상기 페이스면을 형성함과 아울러, 이 소성 가공은 재결정 온도 미만의 온도 역인 냉간으로부터 온간의 범위에서 균등 면압을 부여하는 것을 특징으로 하는 포펫 밸브.
제 3 항에 있어서, 상기 육성부로부터 그 내주측에 이르는 영역에 상기 평활면과 마찬가지로 하여 제2 평활면을 형성하고, 이 제2 평활면에 대해서 상기 페이스면과 마찬가지로 하여 상기 페이스면과 일체의 페이스 내측 확대면을 형성함과 아울러, 이 페이스 내측 확대면의 개방각을 상기 페이스면의 개방각보다 큰 각도로 형성한 것을 특징으로 하는 포펫 밸브.